粉末涡轮盘工艺

• 尽管各国制备粉末高温合金涡轮盘的工艺路线不尽相同， 但制备的工艺过程大体包括：母合金纯洁熔炼、粉末制备、 粉末处理、粉末装套与封焊、热等静压、挤压、锻造成形、 热处理、检测等。
氩气雾化粉末高温合金涡轮盘坯制备工艺过程
涡轮盘高温合金粉末制备
等 离 子 旋 转 电 极 法 首先是将制粉的合金制成自耗电极，在 高速旋转的状态下，接收离子流，使自 耗电极端部熔化；熔融液态金属在离心 旋转力的作用下雾化，形成小液滴飞溅， 由于表面张力的作用，液Fra Baidu bibliotek凝固成球形 的粉末颗粒 制备的粉末氧含量及 非金属夹杂含量低， 粉末球形度高，粉末 粒度可控制在较窄的 范围内
涡轮盘的材料性能
高的室温、中温屈服强 度和塑性 低缺口敏感性
足够的蠕变强度、持久 强度
低线膨胀系数，高 导热系数
高的疲劳抗力
良好的组织稳定性和优 良的抗氧化、耐腐蚀性 能
尽可能高的恒温低循环 疲劳性能或热疲劳性能， 低的裂纹扩展速率
良好的工艺性能和较低的 成本
• 第1代粉末高温合金，以René95为代表是在变形或铸造高温合 金的基础上，适当降低碳含量以及添加Nb，Hf等元素发展起来 的，特点是γ´相含量高(一般大于45%)，一般在低于γ'相固溶温 度的温度下固溶处理，晶粒细小，抗拉强度高，使用温度为 650℃。 • 第2代粉末高温合金，典型是René88DT是在第1代粉末高温合金 的基础上，引入损伤容限设计思想研制而成的，其特点是晶粒 粗大，抗拉强度较第1代低，但具有较高的抗蠕变强度和抗裂 纹扩展能力及较高的损伤容限，最高使用温度为700～750℃。 • 第3代粉末高温合金兼具高强度和高损伤容限、耐高温、持久 性能好、使用温度在700～750 ℃。Alloy10 LSHR • 目前，欧美等国正在研制目标使用温度在850 ℃的第4代粉末 高温合金。
热挤压成型是另外一种高温合金粉末固结成形工艺。先将高温合金粉末 进行包套，在一定的挤压比下挤压到全致密，得到锻造用坯料。也可以 先采用热压或HIP先进行固结， 然后再热挤压。热挤压与热等静压相比， 粉末颗粒所受的宏观变形量更大，借助横向颗粒界面的剪切变形与高压 使颗粒之间形成强有力的冶金结合。通过调节挤压比、挤压速率和挤压 温度易于实现显微组织控制。通过挤压形成细小晶粒，消除了原始粉末 颗粒边界和原始粉末中的枝晶组织，这对于等温锻造特别重要。在固溶 温度以下挤压可以得到小于5μm的晶粒，再通过控制等温锻造制造盘件， 晶粒不会长大。借助热挤压的大变形量，可以使有害的颗粒表面膜或陶 瓷夹杂破碎，从而有效消除其负面影响。
氩 气 雾 化 法
是运用高速运动的氩气流，将熔融金 属液切断、分散、裂化为微小液滴。 金属液滴沿着雾化氩气的运动方向运 动，雾化氩气对金属液滴急剧冷却而 产生的热应力作用使液滴粘化，并凝 结成微细的粉末颗粒
采用了细粉制造技 术如快速凝固旋转 气体雾化和超声气 体雾化等许多新技 术，细粉收得率显 著提高
粉末注射成形(PIM)是传统粉末冶金与现代塑料注射成形工艺相结合而 形成的一种零部件近终成形新技术，在制备形状复杂、难加工镍基高 温合金零部件上具有组织均匀、 性能高和精度高等优点，而且生产效 率和材料利用率高成本低。
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喷射成形技术将液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（熔滴 动态致密固化）相结合，是一种短流程近终形快速凝固体材料制备新技 术。喷射成形沉积坯料具有氧含量低、整体致密度高、过饱和固溶度较 大、无宏观偏析、组织均匀细小等优点，可显著改善高温合金的热加工 塑性，明显提高材料的综合力学性能，有效改进合金的冷加工性能，适 合于制备高合金化难变形高温合金。
粉末处理
• 粉末处理包括粉末筛分、非金属夹杂物分离、表面改性处 理等。粉末筛分去除了较大粒度的粉末颗粒，同时也去除 了较大颗粒尺寸的非金属夹杂物，将粉末高温合金涡轮盘 中的非金属夹杂物缺陷控制在筛分尺寸以下，从而有利于 涡轮盘的质量控制；但是，粉末粒度不是越细越好，还要 考虑涡轮盘的氧含量和粉末的利用率。 • 粉末中的非金属夹杂物是粉末高温合金涡轮盘缺陷的主要 来源，对于涡轮盘的性能特别是低周疲劳性能存在重要影 响，因此需要利用非金属夹物和高温合金粉末物理特性上 的一些差别将其分离出来，提高高温合金粉末的纯净度。 粉末高温合金涡轮盘的纯净度，也就是高温合金粉末的纯 净度，必须通过高温合金粉末的制备工艺与处理相结合降 低粉末中的非金属夹杂物来实现。
粉末涡轮盘成形致密化
• 镍基高温合金粉末或钛基合金粉末一般呈球形，在冷态下 的硬度和强度高，室温下很难压制成形，一般采用热等静 压、热挤压、喷射成形和注射成形等工艺进行成形和致密 化。
热等静压(HIP)是高性能粉末冶金制品致密化的重要手段。通过热等 静压致密化和近终成形工艺过程控制，能够为后续等温锻造和热处 理提供所需形状、尺寸和组织的热制坯。同时，采用热等静压技术 可将粉末高温合金涡轮盘材料与铸造叶片材料复合连接成无械连接 的具有精确设计结构的整体涡轮叶盘。它可将具有高温高强的叶片 与中温高疲劳性能的涡轮盘通过热等静压工艺进行复合，实现双合 金盘片的最佳组合，可以明显减少机加工量，减轻部件结构重量， 从而提高涡轮转速和性能。
粉末涡轮盘工艺制备
涡轮盘的背景
• 发动机技术复杂、难度大，是制约飞机制造业发展的瓶颈 问题。涡轮盘是航空发动机涡轮、燃烧室和压气机3大关 键部件的核心零件，其性能直接决定发动机的整体性能。 • 涡轮盘是航空发动机中工作条件最为苛刻、最为重要的热 端部件之一，受力状态十分复杂， 不同部位所温度、载荷、 介质作用都不相同。